ما هي الشحنة الكهربية والمجال الكهربي ؟

يؤثر الجسم المشحون كهربيًا على جسم آخر مشحون كهربيًا بقوة تسمى القوة الكهربية. وينتقل تأثير القوة الكهربية للشحنة الكهربية عن طريق ما يسمى بالمجال الكهربي. فما هي طبيعة المجال الكهربي؟ وكيف يتأثر بالشحنة الكهربية؟

الشحنة الكهربية

تتواجد في الطبيعة العديد من الجسيمات الصغيرة المختلفة والتي يتكون منها الأجسام الأكبر التي نراها. وواحدة من الخصائص التي تميز تلك الجسيمات هي الشحنة الكهربية. والشحنة الكهربية أما أن تكون سالبة أو موجبة أو متعادلة كهربيًا. تتجاذب الجسيمات المتشابهة في الشحنة إلى بعضها البعض وتتنافر إذا كانت متشابهة في الشحنة. [1]

تميل الأجسام لأن تكون متعادلة كهربيًا، أي عدد الشحنات الموجبة يساوي عدد الشحنات السالبة. وبالتالي عندما يحتوي جسم ما علي فيض من الشحنات السالبة فإنه يميل للانجذاب للأجسام التي تحتوي على فيض من الشحنات الموجبة. وتتم عملية التجاذب والتنافر عن طريق القوة الكهربية التي تنتقل بواسطة المجال الكهربي. [1] فما هو المجال الكهربي؟ وكيف تتأثر به الجسيمات المشحونة كهربيًا؟

المجال الكهربي

يمثل المجال الكهربي القوة الكهربية التي يؤثر بها جسم مشحون عل جسم مشحون آخر. وافترض العالم الإنجليزي «مايكل فاراداي – Michael Faraday » المجال الكهربي على إنه خطوط مستقيمة تخرج من الشحنة الكهربية لتنتشر في الفضاء حولها. والقوة كمية متجهة أي أنها تُعرف من خلال قيمتها واتجاهها، فمثلًا نقول الجسم “أ” يؤثر بقوة معينة في اتجاه الجسم “ب “. وبما أن المجال يعبر عن القوة الكهربية، فالمجال أيضًا كمية متجهة يتم التعبير عنه من خلال المقدار والاتجاه. تكون الشحنة الموجبة باعثة لخطوط المجال والشحنات السالبة مستقبلة لخطوط المجال. [1][2]

على رغم من تطور مفهوم المجال في الوقت الحالي إلا أن فرض فاراداي لخطوط المجال مازال يستخدم حتى الآن. ويستخدم هذا الفرض في تبسيط معظم الظواهر من حولنا، ومن أهم تلك الظواهر هي ظاهرة قفص فاراداي.

قفص فاراداي

اخترع فاراداي اعتمادًا على فرض المجال الكهربي قفص لا يتضرر ما بداخله من أي شحنات كهربية خارجية تؤثر على القفص. فعلى سبيل المثال، شخص ما يقف داخل القفص وتم التأثير على القفص بفرق جهد كبير فلن يتأثر الشخص داخل القفص بذلك الجهد. [2]

وتعتمد فكرة القفص على أن القفص مكون من معدن موصل للكهرباء عند تعرضه لفيض من الشحنات فإنها تتوزع بانتظام على كل القفص. والشحنات المُوزعة على القفص لكل منها مجال كهربي خاص بها. وجود الآن شحنتين في جهتين متقابلتين من القفص سيجعل محصلة المجال الكهربي بينهما داخل القفص تتلاشى. حدث ذلك لأنهما متساويين في المقدار، ولكنهما عكس بعضهما في الاتجاه. بتعميم تلك النتيجة على كل شحنات القفص لن نحصل على أي مجال كهربي داخل القفص. فعندما يضرب البرق السيارة وبداخلها أحد لا يتأثر الشخص بالبرق، فبنفس فكرة القفص لا يتأثر ما بداخل السيارة بالمجال الخارجي. وتستخدم أيضًا فكرة قفص فاراداي في حماية الأجهزة من أي إشارات خارجية غير مرغوب بها. [1] فبالرغم من بساطة فكرة المجال التي فرضها فاراداي ما كان وصل العالم لما هو عليه من أنظمة حماية. فبتلك الافتراضات البسيطة يتغير العالم.

المصادر

[1] Fundamentals of physics / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. —9 th ed. Section 22 (Electric Fields), Section 24 (Electric Potential)
[2] Michael Faraday: A Life From Beginning to End (Biographies of Inventors)